（地质工程专业论文）不同桩端条件下桩基承载性状的室内模型试验研究及分析.pdf

a d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r i n d o o rm o d e lt e s ts t u d ya n d a n a l y s i so n p i l eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c su n d e r d i f f e r e n tp i l et o e sc o n d i t i o n s s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fc i v i le n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：g e o l o g i c a lr e s o u r c e sa n d g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g 一 m a j o r ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g 一 一 一一 c a n d i d a t e ：j i a n c h u nl u s u p e r v i s o r ：p r o f s h i d o n gt a n g a s s o c i a t es u p e r v i s o r ：z h e n h u ay e f e b r u a r y , 2 0 0 7 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e i j 届l l 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：善之右 坤年岁月加日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在企年解密后适用 本授权书。 、 ， 指导教师签名：埤 学位论文作者签名：是建寿 加弋年三月te l 加口7 年乡月勾 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：芝壹君 必蒋3 月2 d 日 摘要 摘要 至今，桩端土层性质影响着桩端附近一定范围内的桩侧阻力发挥大小的现 象已经引起越来越多学者的关注，但是关于这方面的研究和试验资料甚少。本 文在现有桩基承载性状的理论基础上，通过不同桩端条件下桩基承载性状的室 内模型试验，结合数值分析，探讨了竖向荷载作用下单( 群) 桩在相同桩侧土， 不同桩端土( 持力层) 条件下的荷载传递机理，具体包括： 1 单( 群) 桩的荷载一沉降关系； 2 单( 群) 桩桩身轴力传递特征； 3 单( 群) 桩侧阻力发挥性状，以及极限承载力状态下侧阻与端阻的关系。 4 群桩桩周土压力沿深度变化特性； 5 以p l a x i s 有限元软件为工具，建立不同桩端条件下的单桩模型，分析 荷载传递机理。 在模型试验结果和有限元分析结果的基础上，认为上海市地基基础设计 规范( d g j 0 8 一1 1 1 9 9 9 ) 中表6 2 4 - 1 的注解是合理的，但对其条文解释的原因 有不同的看法，并尝试探讨了桩端土层性质对桩侧阻力强化效应的发生机理。 最后，对进一步研究工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：桩端土层，桩侧阻力，模型试验，强化效应，机理 a b s t r a c t a b s t r a c t s of a r ，m o r ea n dm o r es c h o l a r sh a v eb e e na t t r a c t e db yt h ep h e n o m e n o n ，t h a t c h a r a c t e ro fs o i lu n d e rt h ep i l et o eh a si n f l u e n c eo nt h ed e v e l o p m e n to fp i l es h a f t r e s i s t a n c ew i t h i nac e r t a i ns c o p en e a rp i l et o e h o w e v e r t h e r ea r ev e r yf e wr e s e a r c h a n dt e s td a t aa b o u tt h i s b a s e do nt h ee x i s t i n gt h e o r yo fp i l eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ， b yi n d o o rm o d e l t e s to fp i l eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c su n d e rd i f f e r e n tp i l e t o e s c o n d i n t i o n s ，c o m b i n i n g w i t ht h en u m e r i c a l m e t h o d ，s i n g l e ( g r o u p ) p i l e s l o a d t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mc a u s e db yt h ev e r t i c a ll o a df u n c t i o n ，w h i l et h e r ei ss a m es o i l a tp i l es i d ea n dd i f f e r e n ts o i lu n d e rp i l et o e ( b e a r i n gs t r a t u m ) ，i sd i s c u s s e di n t h i s a r t i c l e i n c l u d i n g ： 1 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o a da n ds e t t l e m e n to fs i g l e ( g r o u p ) p i l e ； 2 t h ea x i a lf o r c et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e ( g r o u p ) p i l e ； 3 t h ed e v e l o p i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp i l es h a f tr e s i s t a n c e ，a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ns h a f tr e s i s t a n c ea n dt i pr e s i s t a n c ei nt h es t a t eo ft h eu l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t y ； 4 t h ec h a n g ec h a r a c t e r i s t i c so fe a r t hp r e s s u r ea r o u n dg r o u pp i l e ，a l o n gt h ed e p t h ； 5 r e g a r dt h ef e ms o f t w a r ep l a x i sa st o o l s ，t h es i n g l em o d e lu n d e rd i f f e r e n t t o e sc o n d i t i o n si ss e tu p ，a n dt h e nt h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo fl o a d si sa n a l y s e d b a s e do nt h em o d e lt e s tr e s u l ta n dt h ef e mr e s u l t ，t h en o t eu n d e rt a b l e6 2 4 1 i ns h a n g h a i ( ( c o d ef o rd e s i g no f b u i l d i n gf o u n d a t i o n ) ) ( d g j 0 8 11 - 1 9 9 9 ) h a s b e e n c o n s i d e r e dt ob er e a s o n a b l e h o w e v e r ，d i f f e r e n tv i e w sa b o u tt h ei n t e r p r e t a t i o no fi t s a r t i c l eh a v eb e e nr a i s e d ，a n dt h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo fe n h a n c i n ge f f e c to ft h e s o i lu n d e rt h ep i l et o er e s p o n s e do nt h ep i l es h a f tr e s i s t a n c e ，h a sb e e nd i s c u s s e d f i n a l l y ，t h ed i r e c t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c hi sb r i e f l yd i s c u s s e d k e yw o r d s ：s o i lu n d e rt h ep i l et o e ，p i l es h a f tr e s i s t a n c e ，m o d e lt e s t ，e n h a n c i n g e f f e c t ，m e c h a n i s m n 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的提出1 1 2 研究现状与文献综述2 1 2 1 桩身不同位置的桩侧摩阻力2 1 2 2 桩侧阻力对桩端阻力的影响4 1 2 3 桩端条件在桩侧阻力强化效应中的作用5 1 2 4 桩侧阻力强化效应的理论分析6 1 3 本文主要研究工作及章节安排1 0 1 3 1 本文研究内容1 0 1 3 2 本文章节安排1 0 第2 章室内模型试验设计及实践1 l 2 1 引言1 1 2 2 模型试验设计原理l l 2 3 模型试验方案设计1 3 2 4 试验设备及仪器介绍1 5 2 4 1 模型桩与桩身应变元件1 5 2 4 2 模型箱与加载系统1 6 2 4 3 数据量测系统1 6 2 5 试验准备工作及步骤1 8 2 5 1 土的制备1 8 2 5 2 模型桩的制作1 8 2 5 3 埋置模型桩2 0 2 5 4 安装调试数据采集系统2 0 2 6 试验顺序及时间安排2 2 i 目录 2 7 本章小结2 3 第3 章试验结果整理与分析2 5 3 1 标定及数据处理2 5 3 2 单桩的破坏形式2 7 3 3 第一组试验结果2 7 3 3 i2 4 桩的试验结果2 7 3 3 2l o 。桩的试验结果3 0 3 3 3 侧限1 4 桩的试验结果3 2 3 3 4 侧限木桩的试验结果3 6 3 3 5 铝群桩的试验结果3 7 3 3 6 木群桩的试验结果4 0 3 4 第二组试验结果4 l 3 4 i2 4 桩的试验结果4 1 3 ，4 21 0 4 桩的试验结果4 4 3 4 3 侧限1 4 桩的试验结果4 6 3 4 4 侧限木桩的试验结果4 8 3 4 5 铝群桩的试验结果5 0 3 4 6 木群桩的试验结果5 2 3 5 本章小结5 4 第4 章粘土中桩基的承载性状5 5 4 1 粘土中桩侧摩阻力分布模型式5 5 4 1 1 室内模型试验5 5 4 1 2 工程试桩实例5 5 4 2 桩端土层性质对侧摩阻力的影响5 7 4 3 粘土中侧阻强化效应的解释5 9 4 4 本章小结6 2 第5 章粘土中桩基承载性状的有限元分析6 3 i v 目录 5 1p l a x i s 程序简介6 3 5 1 1 不同模型的选择6 4 5 1 2 界面6 5 5 1 3 初始应力的生成6 5 5 2 有限元计算模型的建立6 7 5 2 1 土体和桩的单元6 7 5 2 2 接触面6 7 5 2 3 网格划分6 9 5 2 4 初始应力状态6 9 5 3 有限元计算结果分析6 9 5 3 1 单桩的荷载一沉降曲线7 0 5 3 2 单桩的侧摩阻力曲线7 0 5 4 本章小结7 2 第6 章结论与展望7 4 6 1 结论7 4 6 2 后续工作展望7 4 致谢7 6 参考文献7 7 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果8 0 v 第1 章绪论 1 1 课题的提出 第1 章绪论 在对桩基承载力的研究中，一般将桩侧阻力与桩端阻力分别考虑。现行规 范中对桩侧阻力的计算，也只认为它与土的类别、状态、埋深以及成桩方式有 关，在上述几个因素确定的情况下，桩侧单位面积上的阻力就是一个常数，桩 的承载力也就是桩端阻力和桩侧阻力的叠加。然而7 0 年代以来的一些试验资料 表明：桩侧阻力不是固定不变的常数，它除了与桩的位移、桩的刚度、置桩时 间、土中应力情况等因素有关外，还同桩端持力层的情况、桩端阻力发挥程度 有关。同样的桩在不同桩端条件下所测得的桩侧阻力是不同的，桩端土体刚度 大的，其桩侧阻力较大；反之，则较小。9 0 年代以来，一些科研院校也相继从 模型试验和原位试验中得到类似的结果。这表明：桩侧阻力与桩端阻力之间具 有互相影响的关系，也就是说，存在某种程度的耦合。这不仅对传统的桩基承 载力计算模式提出了挑战，而且可能由此萌发桩基设计优化的新思路。因此， 对这一课题的研究不仅具有理论意义，而且具有实用价值。 上海市地基基础设计规范( d g j 0 8 一1 1 1 9 9 9 ) 中表6 2 4 1 下有这样的 注解“对于桩身大部分位于淤泥质土中且桩端支撑于第层土的预制桩，单桩 竖向承载力宜通过静载试验确定；当采用表列数据时，宜取表中下限值并作适 当折减。对于“适当折减”，实际工程设计中一般取8 0 ，对于“折减原因 的解释，条文说明中说可能由于施工因素引起的，但这显然和桩侧阻力与桩端 阻力之间的相互作用也有关。工程中许多设计人员盲从这点，造成了一些不必 要的浪费。所以笔者探索能否从室内模型试验和数值模拟中寻求解释以弥补这 一理论上的不足。 至今，对砂土地基中桩侧阻力的研究比较多，对粘土地基的研究相对比较 少，这主要是砂土中的模型试验周期短，容易做；而粘土中模型试验周期长， 主要是粘土的固结时间长。工程实际中不存在桩侧土相同均质，而桩端土不同 的情况，所以难以直接利用现场资料进行研究。本文拟通过本次粘土中不同桩 端条件下的室内模型试验，希望能够为这方面的研究作一点补充。 第1 章绪论 1 2 研究现状与文献综述 国内外许多学者都提出过桩土体系荷载传递机理：桩侧阻力与桩端阻力的 发挥过程就是桩土体系荷载的传递过程，当竖向荷载逐步施加于桩顶时，桩身受 压而产生向下位移，与此同时桩侧表面受到土的摩阻力，桩身荷载通过所发挥出 来的桩侧阻力传到桩周土层中去，致使桩身压缩变形随深度递减。在桩土相对位 移等于零处，其侧阻力尚未开始发挥作用，随着荷载增加，桩身压缩量和位移量 增大，桩身下部的摩阻力亦随之调动起来，桩端也因出现位移而产生桩端阻力。 桩端位移加大了桩土相对位移，从而使桩侧阻力进一步发挥出来。当桩侧阻力全 部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载，其荷载增量将全部由桩端阻力承担。 一般来说，靠近桩身上部土层的侧阻力先于下部土层发挥，而侧阻力先于端阻力 发挥。 如此，作用于桩顶的荷载q 由桩侧阻力q 和桩端阻力q ，来平衡，即 q = g + g ： 1 影响侧阻发挥的主要因素：( 1 ) 桩周土的力学性质；( 2 ) 桩长l 位 4 1 、桩 侧土厚度；( 3 ) 桩土相对位移量瞄1 ；( 4 ) 桩土界面性质；( 5 ) 加荷速率及时问效 应畸 1 引；( 6 ) 侧向有效压力；( 7 ) 桩端是否弱化；( 8 ) 桩顶荷载水平；( 9 ) 桩径； ( 1 0 ) 施工工艺。 2 影响端阻发挥的主要因素：( 1 ) 桩端土的性状；( 2 ) 桩顶荷载水平；( 3 ) 施工工艺；( 4 ) 进入持力层深度。 众多学者在桩基承载力及位移方面对侧阻和端阻单方面研究作出了很多贡 献，尤其是轴向荷载作用下侧阻的发挥性状n 3 2 引，也有许多人研究了持力层深 度对桩基承载力及变形的影响啪 3 。 虽然工程中早就注意不同桩端条件对桩基承载力及变形的影响口2 叫1 ，但对 不同持力层上侧阻端阻发挥性状的研究相对较少。 1 2 1 桩身不同位置的桩侧摩阻力 早在2 0 世纪7 0 年代，v e s i c 就已经通过一系列的试验证明桩侧阻力在桩端附 近会得到增强。桩的侧阻力不是沿桩身直线定值分布的，不同深度的摩阻力是 不相等的，即所谓的深度效应。 较早并且最有代表性的试验是v e s i c 在均质砂土中进行的模型试验汹1 ，试验 2 第1 章绪论 结果如图1 1 所示。从中可以看出，不管桩长如何变化，桩端附近的局部侧摩阻 力总比其它部位要大，在其它条件相同的情况下，桩长越长，桩侧阻力就越大。 这充分说明，桩端附近的侧摩阻力随桩长增加而明显增强。 _ 饵摩阻力( t a t l ) 毯 缝 图1 1v e s i c 试验所揭示的不同桩长时桩侧摩阻力的分布 进一步的资料表明，桩端土层强度对桩侧阻力的增强效应并不是发生在整 个桩侧部位，而是一般集中在桩端附近。也就是说，桩端附近的桩侧阻力才存 在这种强化效应。文献汹3 所举的焦一枝复线某大桥钻孔灌注桩试验时，不同加载 条件下桩侧阻力的实测结果，就反映了这样一个事实。场地土层自上而下依次 为：0 2 - - 2 2 m ，填土夹粉质粘土；2 2 - - - 4 1 m ，粉质粘土；4 1 - - 2 4 9 m ，粉质粘 土央细砂；2 4 9 - 2 8 9 m ，中砂。桩侧阻力分布如图1 2 所示。 摩戳力戌h o加的l i l 髓 量 越 程 图1 2 某工程试桩桩侧摩阻力的分布规律( 引自文献汹1 ) t o o l a n 等的试验结果也证明了桩端附近桩侧阻力的增强效应，为了应用上 3 第1 章绪论 的方便，根据实测结果，他们将桩侧阻力简化为如图1 3 所示的三角形分布。 h e e r e m a 在分析了打桩过程中侧阻力的变化规律后也提出了图1 3 的桩侧阻力 分布模式。美国的a p i 规范率先给出了按图1 3 所示的桩侧阻力进行桩的承载力 计算的模型。 槛霉，摩阻力 图1 3 国外几种桩侧阻力的取值方法( 引自美国a p i 规范) 刘利民，陈竹昌，李发明( 1 9 9 8 ) 毋刀对大量现场试桩资料和模型试验的分 析同样发现，桩侧阻力并不是一个常数，而是一个在局部有所增加的量。桩端附 近局部的桩侧阻力总是比其它部位桩侧阻力大，并且桩侧阻力提高幅度上的差 异与桩端土层性质的不同有关。 1 2 2 桩侧阻力对桩端阻力的影响 如果桩的侧阻力为零，则桩承受的轴向荷载全部集中作用于桩端处，此 时可在桩端处作一水平截面a - b ，近似地把截面以上土层的作用简化为a - b 截面 上的超载，其计算图式可以用图i 4 表示。显然，在其它条件不变时，桩端土的 极限承载能力取决于超载q l 的大小啪1 。在桩的侧摩阻为零时，q 1 仅等于上覆土层 的自重。当桩的侧摩阻不等于零时，其计算图式仍可取为图1 4 ，只是超载q l 增 大了。因桩在向下运动时将带动桩身附近的土体一起向下运动，由此产生的附 加应力导致a b 截面上的垂直应力增加。又由上可知桩端土的极限承载力将增 加，也就是端阻将增加。 由上述分析可以推断，桩侧土的力学指标越好，对桩的约束作用越强，则 对端阻的增强作用越明显；反之，桩侧土越弱，则对端阻的增强作用愈小。 4 第1 章绪论 l r 杉仝 令 叶i 翟 i jll ll ll 一lilll l li ， 眇。 图1 4 桩侧土对桩端土作用示意图 1 2 3 桩端条件在桩侧阻力强化效应中的作用 吴兴序( 1 9 9 7 ) 汹3 为研究桩端条件对桩侧阻力影响，收集了国内不同地点 所进行的不同桩端土条件下空底和实底桩荷载试验的结果见表1 1 。试验时先使 桩底悬空进行载荷试验，然后采用灌浆方法用水泥浆把桩端灌实，再进行载荷 试验。 表1 1 不同桩端条件下载荷试验结果 桩桩长桩径桩端土试验条极限承载力平均极限侧阻力 极限端阻力 号 啦 m层件k nk p a k p a 微风化空底 3 8 4 01 3 0o l1 1 7 50 8 岩层实底 7 6 0 01 5 56 0 1 3 密实细空底 4 5 2 07 2o 22 50 5 砂实底 5 4 2 08 07 8 l 从表中可以看出，无论是l 号桩还是2 号桩，实底时的平均极限侧阻力都 比空底时有所提高，这正是桩端阻力作用的结果。就提高的幅度而言，l 号桩为 1 9 2 ，2 号桩为1 1 1 ，桩平均极限侧阻力提高幅度的这种差异显然是由于桩 端土层性质的差异引起的。桩端土层的强度越高，桩极限侧阻力提高的幅度就 越大，桩侧阻力的强化效应就越明显，反之亦然。 季沧江( 2 0 0 2 ) 口钉发现上海地区以粘性土为持力层的预制桩实测承载力普 5 第1 章绪论 遍低于理论值，认为这与对上海地区端承摩擦桩中端承力作用认识不足有关。 他指出外部荷载逐渐增加的过程，既是桩基端承力逐渐发挥的过程，亦是侧阻 力自上而下逐层发挥的过程，此种过程一直延续至极限；“过软的桩端持力层 上侧阻力仅能达到勘测资料提供计算值的1 2 2 3 ( 所谓“过软的桩端持力层 对预制桩而言系指桩端位于压缩性相对较大的软土上；对于灌注桩而言是沉渣 过厚，在桩端与持力层间形成的“软夹层 ) 该现象在全国许多地区基桩的检 测中均已得到验证。他提出应重新评估软土地区桩基端承力的作用，尽管它只 占总承载力的1 0 , - - 2 0 ，然而就是这1 0 2 0 端承力的存在保证了整桩的承载 力。 1 2 4 桩侧阻力强化效应的理论分析 长期以来，关于桩端附近桩侧阻力发挥的大小与桩端土层性质有关，并且 随桩端土层强度的提高而有所增加的现象( 即上面所称的“桩侧阻力的强化效 应 ) 并没有引起重视。即便在目前涉及这一问题屈指可数的文献中，对这一问 题的认识也存在不同的观点。比较有代表性的观点是，所谓的桩侧阻力强化效 应并不存在，这一现象的实质是随着桩端附近的桩土相对位移及桩端土层的压 缩增大，使得桩端附近的桩侧阻力和桩端土层强度被逐渐调动起来并得以充分 发挥。同时，由于桩侧阻力充分发挥所需要的极限位移远小于桩端土强度充分 发挥所需要的位移，以及桩周深层土体抗剪强度较高的缘故，造成了桩侧阻力 强化效应的假象。这样的解释似乎有一定的道理，但稍加分析就不难发现，在 表1 1 中桩端悬空和桩端密实的桩基承载力试验中，桩端悬空条件下的平均桩 侧阻力值要远小于桩端密实条件下相应的值。在桩端悬空的条件下，桩土可 以发挥的相对位移不可谓不充分，但其所发挥的桩侧阻力却很低，这显然和以 上这种解释相矛盾。 1 桩侧阻力强化效应的定性解释 a 径向压力增强论 最早对该现象引起注意并加以阐述的是文献m 1 。作者在初步分析对比孔底 沉渣对极限侧阻的影响后认为，由于孔底密实度不同，地基土的破坏机理不同， 孔底密实时其剪切破损面可连续开展至桩身侧面，对桩身增加了附加径向压力， 因而增大了极限侧阻。而在桩端土体松散的条件下，桩端破坏大多表现为桩端 6 第1 章绪论 土体的切向压缩破坏，并不能形成径向的挤压效应。 b 挤密作用增强论 持该观点的人士认为，随荷载的增加，达到破坏时，桩旁边下部的土体受 到上部土压力的影响，滑动面不可能延续至地面，只是形成一个封闭的梨形塑 性区。随着桩体的挤入，尤其当桩底土层强度相对较大时，梨形塑性区内桩端 附近土体被挤密的程度将会更大，以至桩侧阻力得以增强。 c 挤密作用与径向应力共同增强论 刘利民( 2 0 0 0 ) h 门根据m e y e r h o f 提出的桩基础破坏模式( 如图1 5 ) ，认为 在桩端荷载作用下，i 区的土体首先向下运动并通过i i 区和i i i 区的土体作用于 区。这一过程的结果，将引起桩端土体的挤密并使作用在桩身下部的法向应 力增加，又由摩尔一库仑抗剪强度理论得知，法向应力的加大将导致桩土间摩 阻力的增加，而且这一现象随桩端土强度的提高而更加明显。 图1 5m e y e r h o f 桩基础破坏模式 d 成拱作用理论h 鄹 t o u m a 等( 1 9 7 4 ) “3 3 在描述荷载作用下，桩周围应力对桩端的影响时，曾用 类似于图1 6 的形式来表示桩端部位土体随荷载增加的位移发展过程。在荷载作 用下，桩逐步向下移动，而在桩端周围形成了两个性质不同的区域塑变区 和成拱区，即在桩端水平面到桩端以上某一段距离，由于桩的向下移动，而形 成如图1 6 所示的变形。 成拱现象的出现，使得桩端和桩端以上部位变形不一致，并且加速了桩端 以上一段距离( o 5 倍桩径) 内桩土相对位移的发展，同时还使这部分尚未发生 塑性变形范围内土体应力增加，但在桩端附近发生塑性变形范围内的土体应力 7 第1 章绪论 减少。这就形成了如图1 6 9 所指的，土的塑变区向桩端附近发展，而桩端区的 土体则发生下沉。同时，由于成拱作用和上覆土压力的限制，造成了成拱作用 影响区内桩壁上的水平应力增加。在这些边界条件下，桩端附近范围内的塑性 变形区，由于成拱作用逐步向外扩展；同时，由于上覆土压力的限制，而最终 稳定在某一区域，形成类似于梨形的塑性破坏圈。 图1 6 成拱作用模式图( 引白文献h 2 1 ) 两个区域范围的大小，主要由桩端土的强度和桩端的位移量决定。在极易 压缩的土层中，桩端阻力很小，并对于桩端这样一个小面积范围，其压缩性也 是有限的，因此也减少了对桩端上部某一区域桩侧壁所造成的影响。如果桩底 土层强度大，在高压力作用时，桩端以下土体产生显著压缩，将使塑变区和成 拱区扩延到桩端以上几倍于桩径的范围，使桩端附近桩土相对位移加大，同时 使桩端附近范围内土体应力增大。这些因素综合起来，必然导致桩端附近桩侧 阻力的增强。 2 桩侧阻力强化效应的定量分析 刘云云( 1 9 9 9 ) h 钔建立了各向同性多层地基中单桩的弹性理论解，并以此 为基础，通过对不同条件下桩侧阻力变化特征的分析，揭示了桩侧阻力强化效 应存在的客观事实，深入研究了影响桩侧阻力增强效应的基本因素，系统阐述 了桩侧阻力增强效应的基本规律。图1 7 表示桩端进入持力层的深度h d 对单 桩荷载传递的影响，图1 8 表示桩端进入持力层的深度等于零时单桩荷载传递 受持力层的影响。 图1 7 ( a ) 显示，当桩端持力层的深度h d 增加时，荷载逐渐由桩端向桩侧 8 第1 章绪论 传递，桩侧阻力显著增加的地方离开桩端的距离增大，基本上同h d 成正比， 且侧阻力增加的位置并不在第二层土与第三层土( 持力层) 之间的分界面上。 图1 7 ( b ) 可以看出，桩端阻力随h d 增大而减少，也就是说桩侧阻力随着h d 增加而增大。这两幅图充分说明了桩端土层对桩端附近侧阻力有增强效应。 z l a 桩侧阻力 9 7 5 b 桩端阻力 图1 7 桩端不同入土深度的影响( 引白文献1 ) 2 4 1 8 藿1 2 6 o 1 0 01 0 0 0 x - 。1 0 0 0 0 a z l = 0 0 5b z l = 0 7 5 图1 8 不同桩十相对刚度下的侧阻力分布( 引自文献“1 ) 桩端持力层的模量e ，。对桩身荷载传递的影响与桩土相对刚度k = e p e ， 有关，在靠近桩顶处( z l 一0 0 5 ，见图1 8 ( a ) ) ，k 。1 0 0 时，桩侧阻力几乎 与桩端e 门无关，随着k 的增大，桩侧阻力减小，而且e ，。较大时减小的幅度较 大。靠近桩端处( z 工；0 7 5 ，见图1 8 ( b ) ) 的桩侧阻力随着k 的增大而增大，e ， 越大，侧阻越大。 9 第1 章绪论 1 3 本文主要研究工作及章节安排 1 3 1 本文研究内容 在现有桩基承载性状的理论基础上，结合室内模型试验、理论分析和数值 计算，研究粘土中单桩和群桩在相同桩侧土，不同桩端土( 持力层) 条件下的 荷载传递机理，具体包括： 1 单( 群) 桩在竖向荷载作用下的荷载一沉降关系； 2 在竖向荷载作用下单( 群) 桩桩身轴力传递特征； 3 在竖向荷载作用下单( 群) 桩侧阻力发挥性状，以及极限承载力状态下 侧阻与端阻的关系。 4 在竖向荷载作用下，群桩桩周土压力沿深度变化特性； 5 以p l a x i s 有限元软件为工具，建立不同桩端条件下的单桩模型，分析 荷载传递机理。 1 3 2 本文章节安排 第一章主要是介绍目前已有的桩基荷载传递机理，尤其在侧阻端阻发挥性 状方面的研究现状，并提出本文的研究内容。 第二章主要介绍在同济大学岩土工程重点实验室内进行的模型试验，并通 过对试验中所遇到问题的分析，结合相关资料分析了桩基模型试验的相关理论， 总结了在试验过程中经常会遇到的试验难点及要点，并提出了一些改进意见。 第三章对试验结果进行整理分析。整理分析的主要内容包括：单( 群) 桩 基础在竖向荷载作用下的荷载一沉降关系、竖向荷载作用下的荷载传递特性和 破坏机理、桩身轴力n 阻力沿深度的分布特性等。 第四章根据室内模型试验结果对比分析淤泥质粘土中桩侧摩阻力的发挥性 状，及其与桩端条件的关系，并探讨桩侧阻力强化效应的定性解释。 第五章利用p l a x i s 软件为工具，以现场土工参数为基础，建立不同桩端条 件下的单桩模型，来分析粘土中桩基荷载传递机理。 第六章对本文所做工作做个总结，并分析其中的不足，探讨下一步工作的 方向。 1 0 第2 章室内模帮试验设计及实践 2 1 引言 第2 章室内模型试验设计及实践 我们知道，进行桩基础原型试验需要花费大量的人力、物力和时间，尤其 是群桩基础的原型试验研究更因场地条件及其他因素的限制而难以进行，这时 只能通过模型试验进行研究，然后将实验成果在模型试验的基础上推广到实际 工程应用中。这次所做的不同桩端条件下单( 群) 桩模型试验便是如此，因为 在自然界找到理想的地层条件较为困难。桩的模拟是根据桩基的实际工作状态， 建立与原型具有相似性规律的模型，借助科学仪器和设备，人为地控制试验条 件，研究桩基在某一或某些情况下的受力变形特性的试验，这是在桩基工程技 术的研究中常用的手段。 文献n 础指出对桩端处于软土或硬土层的桩来说，在破坏荷载下的沉降速率 和沉降量是极其不一样的，而这种不一样主要是极限状态时软硬桩端条件下桩 基的端阻侧阻发挥性状的不一样。为了直接测量出这种“不一样”，本次研究在 同济大学岩土工程重点实验室内进行了砂土和粘土两种桩端条件下桩基模型试 验。本次试验主要目的是研究单( 群) 桩端阻侧阻及桩基承载力、变形的关系， 主要内容包括： ( 1 ) 单( 群) 桩在竖向荷载作用下的荷载一沉降关系； ( 2 ) 在竖向荷载作用下，桩周土压力沿深度变化特性； ( 3 ) 不同桩端条件下，竖向荷载作用下单( 群) 桩侧阻力的发挥性状。 ( 4 ) 侧限条件下，单桩在竖向荷载作用下桩端土的位移情况。 2 2 模型试验设计原理 桩基工程模型试验m 一刀主要通过以下两个方面的相似来满足模型试验与实 际工程的相似性，即几何相似与力学相似。下面以弹性力学中的空间问题为例 来说明相似准则。 1 几何相似 第2 章室内模型试验设计及实践 模型试验的几何尺寸与原型满足一定的比例关系，其尺寸模型比为 m ；堑；堕：丑 ( 2 1 ) x p yp z p 其中：m 工尺寸模型比； x m ，y | i ，z m 分别为模型沿x 、y 、z 方向的尺寸； x p ，y p ，z p 分别为原型沿x 、y 、z 方向的尺寸； 确定了尺寸模型比后，其他物理量的模型比可用尺寸模型比来表示或导出。 2 力学相似 ( 1 ) 弹性相似( 下标 l 和p 分别表示模型和原型) 弹性模量的模型比：m e = 挚 ( 2 2 ) 外加荷载p 的模型比：小pz 等；历e ，l ：( 2 3 ) 位移w 的模型比：历矽一甚- 肌工 ( 2 4 ) 惯性矩i 的模型比：m ，；! 乒；朋工4 ( 2 5 ) ( 2 ) 强度相似 模型试验假定试验各单元体的尺寸缩小或增大，在应力集度保持不变的前 提下，它们的平衡条件不受影响，并且在破坏之前，应力与应变关系不因单元尺 寸大小的变化而受影响，也与应力分量的梯度大小无关，因此在破坏之前，应 力模型比m 仃按材料的抗压或抗拉强度极限决定。 肌。2 等2 等，詈2 詈 汜6 ， 式中，如、r 叫原型材料和模型材料抗压强度极限，相应的极限应变 分别为c p 、f 饼； r r e 、原型材料和模型材料抗拉强度极限，相应的极限应变 分别为f 卵、f 珊。 第2 章室内模型试验设计及实践 ( 3 ) 应力相似 材料的应力应变关系为：口，一f ( e p ，x p ，y p ，z p ) 由应力相饥可得：仃m2 肌川薏，i x ，i y ，老) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中，占肼模型中应变；m ，应变模型比。 ( 4 ) 地基土的力学性能相似： 采用土的凝聚力c 和内摩擦角m 为指标： c u = m 。c e m m ；由，( 2 9 ) ( 5 ) 荷载模型比 根据模型试验和原型试验的桩侧阻力和桩端阻力两项的相互关系，以及模 型试验和原型试验采用相同地基土，可以得到粘性土中垂直荷载的模型比： m = 朋工2 ( 2 1 0 ) 2 3 模型试验方案设计 本次试验单、群桩均采用高承台，共进行两组试验。两组试验中桩侧土均 为灰色淤泥质粘土，但桩端持力层不同，第一组为砂土，第二组为粉质粘土， 其他条件相同： ( 1 ) 单桩试验：2 根铝桩+ 1 根侧限铝桩+ 1 根侧限木桩。两根侧限桩布置于模型 箱有玻璃一侧，是为了便于用数码相机拍摄单桩在竖向荷载作用下桩端土 的位移图片( 平面如图2 1 ，剖面如图2 2 ) ( 2 ) 群桩试验：7 根铝桩与7 根木桩分别组成梅花形( 平面如图2 1 ，剖面如 图2 2 ) 本次试验加载方案： 采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷 载，直到试桩破坏，然后分级卸载到零。 ( 1 ) 加载分级： 每级加载为预估极限荷载的1 1 0 1 1 5 ，第一级可按2 倍分级荷载加荷。 ( 2 ) 沉降观测： 第2 章室内模型试验设计及实践 图2 1 模型桩平面分布图 l 7 f 士压力盒 应壹片 f 斗一一= 一 上压力盒应壹片 图2 2 模型剖面分布示意图 每级加载后间隔5 、1 0 、1 5 m i n 各测读一次，以后每隔1 5 m i n 测读一次，累计 1 h 后每隔3 0 m i n 测读一次。 ( 3 ) 规范中给出的沉降相对稳定标准： 每- - , j , 时的沉降不超过0 1 m m ，并连续出现两次( 由1 5 h 内连续三次观测值 计算) ，认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。 ( 4 ) 规范中给出的终止加载条件：当出现下列情况之一时，即可终止加载： a 某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5 倍； b 某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2 倍，且经2 4 h 尚未达到相对稳定； c 某级荷载作用下，桩急剧下沉，以致无法测读。 1 4 rjj 廿 旷o n 7 一 ， r 卜，一 第2 章室内模型试验设计及实践 ( 5 ) 卸载与卸载沉降观测： 每级卸载值为每级加载值的2 倍。每级卸载后隔1 5 m i n 测读一次残余沉降， 读两次后，隔3 0 m i n 再读一次，即卸下一级荷载，全部卸载后隔3 4 h 再读一次。 2 4 试验设备及仪器介绍 2 4 1 模型桩与桩身应变元件 为研究桩身的轴力、侧摩阻力沿深度的分布特性，本次试验在模型桩上布 置应变量测仪器，再将测得的应变值转化为应力值。结合模型箱尺寸，根据模 型试验的相似准则，本次试验采用的模型桩为空心铝管，直径2 c m ，管壁厚2 m m ， 桩长( 含桩尖) 为1 1 7 c m ，桩尖为4 5 。( 图2 3 ) ，入土长度为9 7 c m 。 图2 3 试验所用模型桩 本次试验所采用应变片为上海应变计厂生产的b f l 2 0 3 a a 型应变片，其技 术参数为：电阻为1 2 0 _ _ _ 0 2 q ，栅长栅宽为5 m m 2 m m ，灵敏度系数为2 1 2 ， 应变片的量测范围在l 从2 0 0 0 吮芎。 为了减少读数相对误差，并且使试验中桩身应变值要尽可能大，且整个试 验过程中，桩体本身不能发生破坏，故试验所用模型桩刚度不能太大，强度又 不能太低。铝的弹性模量为e = 7 0 g p a ，根据拟选择的空心铝管的尺寸，计算得其 横截面面积为a = 1 1 3 1 1 0 咱m 2 。根据材料力学公式n e a e ，可以计算得到作 用在桩身的8 n 轴力能引应变片1 成的应变，采用全桥双臂接线方式能有2 读 数，能够满足本试验的精度要求。 1 5 第2 章室内模型试验设计及实践 因此次所用土压力盒比较大，铝桩上无法布置，为了量测静载时桩周土压 力的变化情况，另外埋设了木群桩，木桩的尺寸为3 5 c m x3 5 a m 。在中心桩桩 身布置了土压力盒，如图2 4 。 臼1 - 1 7 c _ 蚓l 一到 口1 - 9 7 e r a 蚓l t o - 1 0 t 2 。c 。m 瑚一l 诅 图2 4 试验所用木桩土压力盒布置图 2 4 2 模型箱与加载系统 试验所用的模型箱是一个长宽均为1 0 2 c m 、高为1 3 0 c m ，由木板和有机玻璃 组成的方箱，模型箱的底部是混凝土板。 试验加荷原拟用杠杆加砝码的形式，但考虑到本次试验桩基承载力不太大， 并且由于是木箱，其强度有限，杠杆的固定铰点难做，所以本试验采用了直接 加载的方法。首先在木箱四周搭上脚手架，然后借助脚手架横杆提供单桩加载 支力点，具体见图2 5 。采用这种方案后，量测装置的设置问题也得到了解决： 因为脚手架为钢管，这样电磁铁也就可以吸附上面，如图2 6 。 2